罗塞塔号是如何成功“追星”的?

2014年11月13日凌晨,由罗塞塔号彗星探测器释放的“菲莱”着陆器,成功登陆“67P/楚留莫夫-格拉希门克”彗星,这是人类历史上第一次让探测器在彗星上登陆。   

此刻,67p彗星距离地球5亿千米,正以6.5万千米的时速往太阳方向飞行,如此远的距离,如此高的速度,我们禁不住要问,罗塞塔号当初是咋追上它的?

很多新闻资料告诉我们,这是因为罗塞塔号采用了行星的“拉扯效应”、“跳板效应”。那什么是拉扯效应呢?其实,拉扯效应还有别的名字,比如重力助推、引力助推、弹弓效应等。今天,我们就来说说,引力助推是怎样为航天器提速的。  

罗塞塔号利用引力助推全过程

罗塞塔号的漫漫十年追星路,一共借助了地球的3次引力助推和火星的1次引力助推。时间分别是:    

2004年3月2日,罗塞塔号发射;

2005年3月4日,罗塞塔号接近地球,实现首次地球引力助推;

2007年2月25日,罗塞塔号接近火星,实现火星引力助推;

2007年11月13日,引力助推再次接近地球,第二次引力助推;

2009年11月13日,第三次接近地球,再次利用地球引力助推。

引力助推如何实现?

罗塞塔号主要是利用了地球的引力助推,所以咱们就以地球来举例子。众所周知,地球围绕太阳运转的平均速度大约是30千米每秒,这个速度是很快的,比子弹、炮弹的初速度不知要快多少倍。

如上图,地球高速向右运动,而飞行器呢,它逐渐向地球靠近,然后贴着地球飞一段时间,最后离开——这就是引力助推的过程。

为什么飞行器经过这种飞行后,相对于太阳来说,速度就会增加?原来,地球的引力非常大,对于靠近地球的物体,地球就像吸铁石头一样,会把那个物体吸过来。这种“吸”是无形的,看不见摸不着,但确实存在。

整个过程就好像是地球抛出一根长长的隐形铁链——引力。铁链的一端系在飞行器上,当地球不断向右运动时,铁链也在拉扯飞行器,不断地改变飞行器的方向和速度。

在地球的这种拉扯下,飞行器相对于太阳的速度就大大地改变了。可以看出,飞行器相对太阳的速度增加,是以牺牲地球的角动量为代价的,而地球质量巨大,牺牲的这点角动量对地球不会有什么影响。

另外,因为距离越近,引力就越大,所以我们可以得出,引力助推时,飞行器越靠近地球,所获得的助推就越大。当然,飞行器在接近地球的时候,也不能太靠近了,否则一头栽在地球上,就亏大了。不过,这样的情况是不会发生的,因为在使用引力助推时,飞行器的飞行路线是被精确设计好的。

不光是用来加速

引力助推,不光是用来提速,同样,也可以用来减速。

在加速的过程中,飞行器是在地球的后面绕行,假如是在地球的前面,就会取到相反的效果——减速。

在减速的过程中,可以看成是,飞行器在对地球进行拉扯,这种拉扯会减少飞行器的角动量,却会增大地球的角动量。对地球的影响忽略不计,但是对于飞行器的影响却是巨大的。

引力助推的历史

最早提出引力助推的科学家是苏联的尤里·康德拉图克。1918年,他在《致有志于建造星际火箭而阅读此文者》论文中,首先提出了引力助推的构想。 

后来,前苏联科学家弗里德里希·詹德在1925年的论文《星际飞行中喷气推进的问题》中也提出了类似的构想。

以上两人关于引力助推的想法都不太完整,直到1961年,美国数学家迈克尔?米诺维奇才最终完善了引力助推。他正确地指出,行星对飞行器施加的引力助推能够推进飞行器,并减少飞行器在星际间飞行时的燃料消耗。

引力助推有什么意义?

在太阳系进行行星探测,或者要想飞出太阳系,引力助推是现阶段一个必选的步骤。

飞行器利用燃料获得一个速度后,在前往外行星的过程中,因为是背向太阳前进,也就是在做远离太阳的运动,所以,飞行器会持续不断地受到太阳引力的拉扯而不断减速,等到来到外行星的周围时,飞行器的运行速度将低于外行星,比如天王星绕行太阳的轨道速度。如果不采取引力助推,现阶段,我们将很难到达外行星,或者冲出太阳系。

同样,飞行器在飞向内行星比如水星的过程中,因为是做接近太阳的飞行,过程中将一直受到太阳的引力拉扯,导致飞行器到达目标行星时,速度将远大于内行星绕日轨道的速度,如果飞行器只是飞掠内行星,倒也无所谓,但是如果想进入环绕内行星的轨道,就必须要减速,减速也可以采用燃料,但是这无疑将增大飞行器的体积,结果就是耗资巨大,所以最好的办法是利用内行星的引力助推来刹车。

要付出啥代价

引力助推看上去美好极了,给飞行器减少体重,节约大量燃油,本质上就是节约了大量的资金。引力助推让我们得以派出探测器到各大行星一窥究竟,好处太多自不必说,天下没有免费的午餐,引力助推的代价是什么呢?


答案当然是时间。所以,你也看到,罗塞塔号为了追上67p彗星,可是花了10年多时间,而大部分时间就被花在不停地绕行地球和火星上了。

水星距离地球最近的时候大约只有9100万千米,2004年,发射信使号水星探测器时,如果信使号直接飞到水星,并环绕水星运行,只要3个月左右的时间,这样的飞行最节约时间,但却需要信使号携带非常多的燃料,这会增加信使号的重量,同时需要更大的火箭才能把它发射出去,成本极高。    

在金钱面前,傲娇的科学家们也不得不低下头,选择在时间上做出牺牲——让信使号在太阳系内漫游了6年多时间后才进入水星轨道。